Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1 Мощные синие InGaN/GaN светодиоды - основа для создания энергосберегающего твердотельного освещения 12
1.2. Дизайн и технология получения мощных синих свето диодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур 17
1.3. Структурные особенности и специфика дефектов в нитриде галлия и светоизлучающих структурах 19
1.4. Безызлучательная рекомбинация в А3N наноматериалах и особенности излучательной рекомбинации в светоизлучающих InGaN/GaN структурах и светодиодах 22
1.5. Основные закономерности развития деградации мощных синих InGaN/GaN светодиодов, известные к началу выполнения работы 35
Глава 2. Основные объекты исследования, технология выращивания и традиционные методы диагностики светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур . 44
2.1 Основные объекты исследования и технология выращивания светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур. 44
2.2. Традиционные методы исследования структурных, электрических и оптических свойств светоизлучающи х структур 45
2.3. Методы старения мощных синих светодиодов 49
Глава 3. Комплекс методов, позволяющий реализовать новый подход в изучении развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов 52
3.1. Методика определения характера организации наноматериала светоизлучающих квантоворазмерных InGaN/GaN структур на основе мультифрактального анализа. 53
3. 2. Теоретическое и экспериментальное изучение растекания тока по площади p-n-перехода InGaN/GaN светодиодов . 72
3.3. Изучение низкочастотного шума в мощных синих InGaN/GaN светодиодах 91
Выводы: 103
Глава 4. Исследование развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов с разным характером организации наноматериала на разных временных стадиях старения . 105
4.1. Основные закономерности развития деградации внешней квантовой эффективности мощных синих InGaN/GaN светодиодов 105
4.2. Основные закономерности развития деградации ВКЭ светодиодов на финальной стадии старения. 108
4.3. Механизмы, ответственные за развитие деградации ВКЭ мощных синих InGaN/GaN светодиодов 118
4.4. Скорость развития деградации ВКЭ светодиодов, классифицированных по характеру организации наноматериал (уровню токов утечки). 132
4.5. Причины катастрофических отказов и методы выявления ненадежных светодиодов. 135
Выводы: 144
Заключение 146
Список литературы 148
- Дизайн и технология получения мощных синих свето диодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур
- Традиционные методы исследования структурных, электрических и оптических свойств светоизлучающи х структур
- Теоретическое и экспериментальное изучение растекания тока по площади p-n-перехода InGaN/GaN светодиодов
- Основные закономерности развития деградации ВКЭ светодиодов на финальной стадии старения.
Введение к работе
Актуальность темы
Конец первого десятилетия 21-го века ознаменовался развитием в разных странах мира амбициозных программ по созданию твердотельного энергосберегающего освещения на основе мощных синих InGaN/GaN светодиодов с люминофорным покрытием. В настоящее время серийные светодиоды имеют светоотдачу 160-200 лм/Вт, а рекордные лабораторные образцы достигли 303 лм/Вт, что приближается к теоретическому пределу (350 лм/Вт) [1]. Таким образом, светодиоды в несколько раз превысили светоотдачу лучших ламп, однако заметно проигрывают последним по стоимости. Снижение стоимости упирается не только в решение технических задач, но и в фундаментальные физические проблемы такие как: падение внешней квантовой эффективности светодиодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур при возрастании плотности тока более 10 А/см2, немонотонное изменение внешней квантовой эффективности (оптической мощности) в первые несколько тысяч часов старения светодиодов и катастрофический выход из строя за короткие времена части светодиодов, не отличающихся по основным параметрам, от остальных с большим, до 105 сроком службы. Эти эффекты значительно повышают стоимость генерируемого света ($/лм), что может привести к нерентабельности перехода на твердотельное освещение. Природа этих явлений интенсивно изучается мировым научным сообществом на протяжении двух десятилетий, однако остается далеко не до конца выясненной, а общепринятые модели отсутствуют до сих пор. Более того, согласно данным, приведенным в обзоре [2] механизмы дефектообразования под действием инжекционного тока, приводящие к катастрофическому выходу из строя светодиодов, характер взаимосвязи деградации оптической мощности с изменением свойств дефектной системы остаются не выясненными. По-прежнему остается предметом дискуссий вопрос о том, какие дефекты генерируются в процессе старения и преимущественно в каких областях. Представляется, что одной из причин осложняющей понимание особенностей
развития деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ) InGaN/GaN структур, может быть сложный характер организации наноматериала, формирующийся в неравновесных условиях самоорганизации, приводящий к образованию локальных разно-размерных, от нескольких нанометров до микрон, неоднородностей состава твердого раствора, и системы протяженных дефектов, пронизывающей светоизлучающую структуру. Результаты исследований, приведенные в ряде работ [3] [4], свидетельствуют о фрактальной природе А3N материалов и проявлениях нелинейных свойств. К началу выполнения данной работы роль этих особенностей в развитии деградации внешней квантовой эффективности при старении мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур практически не была изучена. Основные цели и задачи данной работы:
Разработка комплекса методов, позволяющего реализовать новый подход в изучение деградации внешней квантовой эффективности (ВКЭ), учитывающий сложный характер организации наноматериала мощных синих светодиодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур;
Выяснение основных закономерностей снижения значений ВКЭ этих светодиодов при старении, и механизмов ответственных за этот процесс;
Выяснение взаимосвязи деградации ВКЭ светодиодов с изменением свойств системы протяженных дефектов и разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора по индию.
Научная новизна работы заключается в том, что предложен новый подход к изучению процесса деградации ВКЭ светодиодов, учитывающий сложный характер организации разно-размерных неоднородностей состава твердого раствора InGaN и присутствие квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов, т.е. фрактальную природу наноматериала. Предложенный подход и количественная классификации разных форм организации наноматериала квантоворазмерных InGaN/GaN структур с помощью параметра, характеризующего степень разупорядоченности
наноматериала (Ар), позволил выяснить основные закономерности развития деградации ВКЭ этих светодиодов. Выяснено, что дефектообразование под действием инжекционного тока развивается, преимущественно, в двух каналах: в проводящих квазиомических шунтах, локализованных в системе протяженных дефектов, и в локальных областях с неравновесным составом твердого раствора с повышенным содержанием индия. Показано, что в этих каналах существуют все необходимые условия для реализации деградации ВКЭ по механизму Голда-Вайсберга: высокая плотность неравновесных носителей до ЮООА/см2, их многофононная рекомбинация на примесях, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне (в InGaN/GaN структурах - слабо связанные атомы индия и галлия в отдельных протяженных дефектах), вызывающая локальные перегревы и рекомбинационно - стимулированную миграцию и диффузию индия и галлия. Эти процессы порождают немонотонное изменение значений ВКЭ на промежуточных временных стадиях старения и приводят к значительному снижению концентрации неравновесных носителей, участвующих в излучательной рекомбинации. Многообразие вариантов развития деградации ВКЭ синих светодиодов вызвано сложной комбинацией и чередованием процессов дефектообразования в этих двух каналах во времени. На финальной стадии деградации, на которой значения ВКЭ уменьшаются на 30% относительно исходных значений, как правило, оба канала действуют одновременно. Неоднозначная связь между излучательной и безызлучательной рекомбинацией в первые 5000 часов вызвана тем, что области, в которых происходят эти процессы, пространственно разнесены. Показано, что изучение в процессе старения эволюции прямой и обратной ветвей ВАХ при смещениях менее 2 В мощных синих светодиодов позволяет разделить вклад каждого из каналов в процесс дефектообразования. Катастрофические отказы светодиодов вызваны в первую очередь процессами дефектообразования в локальных областях с неравновесным по индию составом твердого раствора InGaN.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработан метод контроля распределения температуры по площади светодиода, позволяющий разделить вклад в формирование областей перегрева периферии светодиода, неоптимальной геометрии контактных площадок, дефектов сборки и локальных областей перегрева, связанных со свойствами наноматериала светоизлучающих структур; предложен комплекс методов, позволяющий выяснить вклад характера организации наноматериала светоизлучающих структур в скорость развития деградации ВКЭ светодиодов; показано, что для увеличения срока службы необходимо улучшать характер организации наноматериала, разработать режимы роста твердых растворов с минимальным содержание локальных областей с существенно неравновесным (нерегулярным) составом твердого раствора, избегать галлий и индий обогащенных режимов роста; предложен метод выявления наиболее ненадежных, склонных к катастрофическим отказам, светодиодов, по уровню токов утечки и появлению локальных областей с пониженным барьером на прямой ветви ВАХ при смещениях менее 2 В. При этом наиболее ненадежные светодиоды по найденным критериям могут быть выявлены до проведения старения и сборки.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Для всех светодиодов, независимо от фирмы изготовителя, дизайна активной области, а также характера организации наноматериала, снижение внешней квантовой эффективности на 30% и более, относительно исходных значений, в процессе старения (финальная стадия) вызвано ростом проводимости на порядки квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов.
-
На финальной стадии в квазиомических шунтах локальная плотность тока превышает 1000 А/см2, вызывая перегрев и усиление дефектообразования по механизму Голда-Вайсберга, сопровождающееся миграцией и диффузией индия и галлия вдоль протяженных дефектов.
-
Скорость развития процесса деградации внешней квантовой эффективности определяется индивидуальными свойствами InGaN/GaN
светодиодов. Развитие этого процесса, в течение нескольких часов, типично для светодиодов с высокой степенью разупорядоченности наноматериала.
-
Развитие процесса деградации внешней квантовой эффективности во временном интервале от 10 до нескольких тысяч часов, типично для светодиодов с хорошо упорядоченным наноматериалом, но с присутствием локальных областей с существенно неравновесным составом твердого раствора InGaN. При этом общая площадь таких локальных областей на несколько порядков меньше площади всего светодиода.
-
Контроль эволюции прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики светодиодов при смещениях менее 2В на разных временных стадиях старения позволяет разделить процессы дефектообразования, локализованные в системе протяженных дефектов и в разно-размерных неоднородностях твердого раствора, а также выявить наиболее ненадежные светодиоды без долговременных испытаний.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на Российских и Международных конференциях: BIAMS 2008, Toledo (Spain), June , 2008. 16 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, December, 2008.
Всероссийская конференция по физике полупроводников «Полупроводники 2009», г. Томск, сентябрь 2009.
Международная конференция по дефектам, Санкт-Петербург, июль 2009. 2-ая Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, май 2009. 7-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Москва, февраль, 2010. 8-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2011.
23rd European Symposium on the Reliability of electron devices, failure physics and analysis, Cagliari (Italy), October,2012.
4 International Symposium on Growth of III-Nitrides,St.-Petersburg, Russia,July, 2012
9-ая Всероссийская конференция «Нитрид Галлия, Индия и Алюминия-структуры и приборы», Санкт-Петербург, июнь 2013. 17th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, Warsaw (Poland), August,2013.
14th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2013. 22 International Symposium Nanostructures: Physics and Technology, St.-Petersburg, June, 2014.
15th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2014.
Публикации Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах, из них 12 научные статьи в реферируемых журналах и тезисы в материалах конференций – 3.
Структура и объем диссертации диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста. Диссертация включает также 49 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 85 наименований.
Дизайн и технология получения мощных синих свето диодов на основе квантоворазмерных InGaN/GaN структур
При разработке синих светодиодов были использованы основные конструктивные решения, позволяющие улучшить параметры, разработанные для светодиодов, выращенных на традиционных А3В5: такие как односторонняя инжекция из широкозонного эмиттера в узкозонный активный слой, двойное электронное ограничение активной области широкозонными слоями. На Рис. 3 приведена типичная конструкция СД на основе квантоворазмерных гетероструктур. В светодиодах на основе твердых растворов А3В5 обычно используют твердые растворы толщиной 5-10 нм. Оказалось, что в твердых растворах InGaN при таких толщинах происходит распад твердого раствора [7]. Было показано, что оптимальные толщины 2-3 нм. Для увеличения эффективности стали использовать по несколько ям и барьеров, наиболее часто по 5 пар. Выращивание такой структуры осуществляется эпитаксиальными методами. Наиболее распространенным и обеспечивающим лучшие параметры светоизлучающих структур и светодиодов, на сегодняшний день, является метод газофазной эпитаксии из металлорганических соединений. Рост осуществляется в неравновесных условиях, на подложках рассогласованных с растущим слоем. Формируются слои гексагональной модификацией, когда постоянная решетки по оси с значительно отличается от постоянной решетки а. Рост осуществляется в несколько стадий: на начальной стадии роста формируется зародышевый слой, идет образование дислокаций несоответствия и появляются островки На последующих стадиях происходит разрастание, и коалесценция доменов и частичная релаксация дислокаций на границах доменов и формируется эпитаксиальный слой с высоким содержанием структурных дефектов: дислокаций (краевых, винтовых, несоответствия), с плотностью 108 – 1010 см-2, их скоплений, а также дефектов упаковки, микропор и микротрубок [8]. Кроме того, в результате коалесценции доменов во время эпитаксиального роста происходит образование дилатационных и дислокационных границ [9]. Эти два типа границ наблюдаются, как в слоях нитрида галлия, так и в светоизлучающих структурах. Таким образом, слои нитридов третьей группы и гетероструктуры на их основе являются квазиэпитаксиальными, текстурированными дислокационными и дилатационными границами, что предопределяет многообразие форм организации этих материалов, и принципиально отличает их от эпитаксиальных слоев на основе традиционных А3В5, а также порождает трудности в интерпретации экспериментальных результатов.
Структурные особенности и специфика дефектов в нитриде галлия и светоизлучающих структурах. Совокупность дислокационных и дилатационных границ, а также единичных, смешанных дислокаций, их скоплений, дефектов упаковки и V-дефектов образуют сложную систему протяженных дефектов (Рис. 4, а), пронизывающую активную область (Рис. 4, б). На настоящий момент разработано множество способов снижения плотности прорастающих дислокаций. Этим важнейшим и интереснейшим вопросам, которые мы, однако, обсуждать не будем, посвящена обширная литература [10], [11]. Отметим лишь то, что, несмотря на многолетние усилия, снизить плотность дислокаций до значений меньше 105 см-2, типичных для традиционных полупроводников А3В5, не удалось. Более того, средняя
Вид в просвечивающем электронном микроскопе системы протяженных дефектов (а) и дислокации, пронизывающей активную область светодиодной структуры (б). плотность дислокаций по-прежнему достаточно высока и составляет 108 см-2. Несмотря на высокую плотность дислокаций, и вопреки предсказаниям теоретических работ о том, что повышение эффективности более 20 % , можно ожидать, лишь при снижении плотности дислокаций до значений меньше 107 см-2 [12] , фирма Cree получила светодиоды с внешней квантовой эффективностью - 40 %. Вопрос о роли дислокаций и системы протяженных дефектов в светоизлучающих структурах не получил однозначной интерпретации, поэтому необходимо кратко проанализировать имеющиеся точки зрения. Представляется, что есть смысл начать анализ с нитрида галлия. Многочисленные теоретические [13] и экспериментальные работы, выполненные на слоях нитрида галлия, с применением таких методов, как электронная голография [14], исследование токов, наведенных электронным пучком [15], показали, что в нитриде галлия дислокации и их скопления являются электрически активными заряженными, а области вокруг них, за счет действия кулоновских сил, либо притягивают, либо отталкивают свободные носители заряда. Форма такого кулоновского взаимодействия (притяжения или отталкивания) определяется полярностью дислокаций и типом свободных носителей [16]. Область дальнодействия ядра дислокации меньше 50 нм и невелика по сравнению с классическими полупроводниками [14]. Из работ разных авторов [14] [16] известно, что картины распределения потенциала вокруг ядра дислокации в n и р – типе нитрида галлия - близкие, но знак заряда дислокаций разный: в n- типе нитрида галлия – отрицательный, а в р- типе – положительный. Кроме того, отмечено, что профили распределения потенциала близкие для винтовых и краевых дислокаций. В работе [16] рассмотрено изменение во времени распределения носителей заряда в области положительно заряженной линейной дислокации. В начале, из-за разности потенциалов, созданной дислокацией, электроны к ней притягиваются, а дырки отталкиваются от нее. Однако, накопившиеся электроны постепенно экранируют эту разность потенциалов, снижая барьер для дырок. Таким образом, наблюдается сложная динамика свойств дислокаций с изменением концентрации носителей заряда. Сведения о поведении дислокаций в светоизлучающих структурах достаточно противоречивы и это неудивительно, т.к. часть дислокаций пронизывает всю структуры, а значит, отдельные части этих дислокаций имеют разное зарядовое состояние и разный состав атмосферы Коттрела, а также области разного химического состава.
Естественно, прямой анализ безызлучательной рекомбинации в таких системах чрезвычайно сложен. В связи с этим, на практике задачу максимально упрощают, и при анализе роли дислокаций в рекомбинации, в основном опираются на тот факт, что светоизлучающие структуры в нитридах III-группы светят, несмотря на плотность дислокаций почти на 5 порядков более высокую, чем в полупроводниках А3В5. Исходя из этого факта, создано несколько версий [16]: а) дислокации не заряжены, б) электронные уровни дислокаций лежат за пределами запрещенной зоны полупроводника. Наконец, наиболее распространенная версия о том, что флуктуации состава твердого раствора по индию, образование кластеров и разделение фаз внутри твердого раствора, неминуемо приводит к возникновению локальных потенциальных ям и локализации носителей в них, что предотвращает диффузию носителей к дислокациям. Как показано в работе [17] образование V-дефектов в InGaN/GaN, приводит к уменьшению подвижных носителей, локализованных в планарных квантовых ямах. Разумеется, все эти версии заслуживают внимания, и, учитывая сложность изучаемого объекта, не исключена возможность одновременного присутствия заряженных и незаряженных дислокаций. Кроме того, экспериментальные исследования [18], показывают, что дислокации, а также их скопления и V-дефекты нередко обогащены присутствием металлической фазы (Рис. 5, а и б) и их проводимость выше, чем у не обогащенных дислокаций. Методами наведенного электронным зондом тока, в работе [19] было показано, что проводимость в области темных точек, как минимум на порядок выше, чем в соседних более светлых областях светоизлучающих структур. Кроме того, выявляются протяженные области с повышенной скоростью безызлучательной рекомбинации, образованные дислокационными стенками (Рис. 6). Представляется, что при обсуждении участия системы протяженных дефектов в процессах безызлучательной рекомбинации необходимо учитывать это многообразие свойств дефектной системы, а также такое важное свойство, как изменение зарядового состояния материала вокруг ядра дислокации при увеличении концентрации носителей, вводимых электронным пучком [20]. Проявление динамических свойств дислокаций, особенно, дислокаций, пронизывающих область р-n – перехода, хорошо известно в кремнии и в полупроводниках А3В5 [20]. Развитые для таких дислокаций модели базируются на представлении дислокаций в виде трубки пространственного заряда с проводящей нитью. Причем свойства такой трубки зависят от степени заполнения плотности состояний и напряжения приложенного к области объемного заряда р-n -перехода [20]. Рост степени заполнения состояний с увеличением приложенного напряжения, приводит к более сильному перекрытию отдельных электронных волновых функций внутри трубки и, следовательно, к росту ее проводимости. Область, заключенная внутри, ведет себя подобно участку полупроводника с вырожденной концентрацией носителей, и вырождение зависит от величины поля.
Традиционные методы исследования структурных, электрических и оптических свойств светоизлучающи х структур
Морфология поверхности исследовалась методами атомно-силовой микроскопии (АСМ), с помощью стандартных компьютерных программ определялась величина средней шероховатости поверхности, профиль сечения в заданном направлении и топографическое изображение поверхности в разных масштабах от 500х500 нм до 2х2 мкм. Структурные особенности светоизлучающих структур исследовались методами просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе PHILIPS CM 200 FEG/ST с рабочим напряжением 100 кВ. Вольт – амперные характеристики (ВАХ) светодиодов измерялись в диапазоне от 10-13 до 0.4 А. Измерение малых токов обеспечивалось использованием пикоамперметра фирмы Keithley 648 и полного экранирования измерительной схемы. Измерения внешнего квантового выхода и ватт - амперных характеристик проводились по схеме (Рис. 16.2) и общепринятой методике, в соответствии с Международными стандартами [44]. Светодиод в корпусе помещался в интегрирующую сферу. На светодиод подавалось напряжение от программируемого прецизионного источник питания «OL 700-10-2000» в прямом направление. Излучение регистрировалось мультиканальным спектрорадиометром «OL 770 VIS/NIR». Комплекс для исследования светового потока и координат цветности светодиодных источников излучения «OL770-LED»: а - схема измерения оптических характеристик: 1 - мультиканальный спектрорадиометр видимого и инфракрасного диапазона (380-1100 нм) со встроенной 100 цм щелью «OL 770 VIS/NIR»: 2 - стеклянное оптоволокно «OL 770-7G-1.0 3»; 3 -интегральная сфера 6 дюймов «OL IS-670-LED»; б - программируемый прецизионный источник питания светодиодов с диапазоном: ± 2 А, ± 6 V «OL 700-10-2000» стенде. Спектрорадиометр «OL 770 VIS/NIR», со встроенной 100 цм щелью, обеспечивает регистрацию длин волн излучения светодиодов в диапазоне 380-1100 нм с точностью + 0.1 нм. Встроенное программное обеспечение дает возможность рассчитать основные спектральные параметры: пиковая длина волны реак, доминантная длина волны dom, ширина спектра по уровню половины интенсивности А о.5 2.3. Методы старения мощных синих светодиодов.
В последние годы благодаря огромным статистическим данным, ведущим фирмам производителям светодиодов фирма Сгее [1], и фирма Philips Lumileds [32], удалось предложить способы прогнозирования срока службы синих светодиодов. Однако все они содержат долговременный период старения от 1000 до 6000 часов, после превышения которого, можно определить скорость деградации и прогнозировать срок службы. Способ, используемый фирмой Сгее [1] [2], содержит следующую последовательность операций: измерение внешней квантовой эффективности светодиодов, проведение процесса старения светодиодов в течение 5000 часов в режиме, использующем комбинацию значений таких параметров как Tj (температура р-п перехода),Ть (температура окружающей среды) и IF (ток через светодиод при прямом смещении) или его плотность J. Эти параметры выбираются из соответствующих диапазонов: Tj = 50-120 С, Tb = 35-85 С, IF = 0.35-1А (соответствует плотности тока J = 35-100 А/см2). Затем проводится контроль значений Tj при фиксированных значениях Ть и IF, после 5000 часов и по этим измеренным экспериментально значениям Tj проводится определение среднего прогнозируемого срока службы по уровню значений ВКЭ на 30% меньше исходных (L70), по ранее полученным калибровочным зависимостям. Комплект калибровочных зависимостей среднего прогнозируемого срока службы по уровню L7o от Tj для нескольких комбинаций значений параметров Ть и IF из соответствующих диапазонов значений, приведенных выше, представлен на сайте фирмы [1]. Расчет этих зависимостей проведен на основе большого количества статистических данных на светодиодах этой фирмы. Причем при условии отсутствия катастрофических отказов. Благодаря высокому уровню технологии роста и сборки фирме удалось избавиться от таких отказов. Кроме того, в основу расчета положен экспериментальный факт, выявленный исследованиями фирмы, что только через 5000 часов старения наблюдаются установившиеся значения скорости деградации эффективности (мощности). Эти установившиеся значения эффективности используются для расчета, в качестве исходных значений, для определения скорости медленной составляющей развития процесса старения и уровня L70, а также достоверного определения прогнозируемого срока службы. Очевидно, что полученные зависимости не могут быть в полной мере применены другими фирмами производителями. Во - первых по тому, что полученные зависимости не учитывают катастрофические отказы, от которых фирма Cree избавилась благодаря высокому уровню технологии роста и сборки. Во вторых, значения параметра Tj зависят от конструкции корпуса и технологии сборки, и для разных фирм могут существенно отличаться. Способ, предложенный фирмой Philips Lumileds [32], учитывает вклад в срок службы катастрофических отказов и медленного развития старения до уровня эффективности L70. Способ содержит следующую последовательность операций: измерение внешней квантовой эффективности контрольной группы светодиодов (100шт.) из каждой партии; проведение процесса старения светодиодов в течение 1000 часов в режиме, использующем комбинацию значений параметров Tj ,Tb и IF из соответствующих диапазонов: Tj = 50-120 0С, Tb = 25-85 0С , IF = 0.35-1A (соответствует плотности тока J=35-100 А/см2); измерение эффективности контрольных светодиодов; определение вероятности отказов из экспериментальных данных о числе отказов в контрольной группе из 100 светодиодов из каждой партии после старения в течение 1000 часов, с учетом количества вышедших из строя светодиодов до 1000 часов и минимального времени работы этих светодиодов; определение, по полученным значениям вероятности отказа, среднего значения срока службы светодиодов при фиксированных значениях Tj, Tb , J, из ранее рассчитанных зависимостей, связывающих вероятность отказов и срок службы светодиодов по уровню L70. Расчетные зависимости, учитывают оба явления (катастрофические отказы и медленное развитие старения). Таким образом, исследование процесса деградации и прогнозирование срока службы синих мощных светодиодов существенно более сложные и длительные, а результаты прогнозирования не столь однозначные, как для традиционных излучающих приборов, функционирующих без катастрофических отказов. Комбинации режимов, предложенные фирмами, были использованы в данной работе, а также критические значения ВКЭ после 5000 часов работы для прогнозирования срока службы.
Теоретическое и экспериментальное изучение растекания тока по площади p-n-перехода InGaN/GaN светодиодов
Хорошо известно, что в излучающих чипах светодиодов на основе InGaN/GaN-наногетероструктур неоднородное распределение плотности тока по площади p-n-перехода („current crowding effect“) [56], может быть вызвано несколькими факторами: геометрией контактов, дефектами сборки, присутствием латеральной составляющей тока, связанной со спецификой выращивания светоизлучающих структур на изолирующей подложке. В тоже время на части коммерческих светодиодов в последние годы используется технология отделения светоизлучающей структуры от изолирующей подложки и перенос на проводящую подложку. Таким образом, в этом варианте латеральная составляющая отсутствует. Однако, для всех конструкций типичной является тонкие активная область и n+ слой, что также приводит к неоднородному растеканию тока. В связи с тем, что в данной работе исследовались чипы светодиодов от разных производителей, в том числе светоизлучающие структуры на изолирующих подложках, необходимо было оценить теоретически и экспериментально вклад латерального протекания тока и геометрии контактов в растекание тока.
Для оценки вклада неоднородного растекания тока применялся самосогласованный расчет растекания тока и переноса тепла в светодиодном чипе с помощью программы SpeCLED [57]. Для расчета растекания тока использовалась упрощенная постановка задачи [58]. Учитывались следующие элементы чипа: сапфировая подложка, контактный n-GaN слой, активная область, контактный p-GaN слой и металлические контакты. Предполагалось, что в контактных слоях GaN выполняется условие электронейтральности, т.е. концентрация основных носителей равняется концентрации ионизованной примеси. Данное предположение нарушается только в узких областях, непосредственно примыкающих к активной области. Толщина этих областей соответствует толщине области пространственного заряда и, учитывая высокое легирование контактных слоев, составляет порядка 10 нм. Этими областями можно пренебречь по сравнению с полной толщиной контактных слоев. Также предполагалось, что в контактных слоях ток неосновных носителей много меньше тока, создаваемого основными носителями. Это предположение хорошо выполняется для контактного n-GaN слоя, что касается p-GaN слоя, то при больших плотностях тока может наблюдаться утечка электронов из активной области в p-GaN. Однако, эта утечка в оптимизированных светодиодных структурах все-таки мала. Кроме того, для рассматриваемой конструкции чипа (flip-chip) контактный p-GaN слой полностью покрыт толстым металлическим слоем. Таким образом, основное латеральное растекание тока происходит в этом металлическом слое. С учетом сделанных предположений, для расчета растекания тока в контактных слоях можно ограничиться законом Ома для основных носителей: jn = Мп nVFn , jp = jup pVFp
Данный подход требует существенно меньших вычислительных затрат, нежели решение трехмерной дрейфо-диффузионной задачи распределения потенциала и концентрации носителей. Соответственно, появляется возможность анализировать сложные конструкции чипов за приемлемое время без привлечения специализированной высокопроизводительной вычислительной техники. В то же время влияние внесенных упрощений на распределение тока минимально, как показало сравнение расчета с экспериментом (Рис. 24).
Для расчета распределения температуры в чипе решалось уравнение теплопроводности с граничными условиями третьего рода на внешних границах металлических слоев. Главный вклад в нагрев вносит выделение тепла в активной области за счет безизлучательной рекомбинации и за счет термализации носителей в квантовых ямах. Также учитывалось выделение джоулева тепла во всем объеме чипа [59]. В ходе самосогласованного расчета распределения тока и тепла рассчитывались последовательно до достижения сходимости, т.е. постоянства распределения температуры и электрического тока. Для расчета температуры разогрева чипа при разных плотностях инжекционного тока определялись экспериментально тепловые сопротивления всех элементов конструкции светодиода. 3.2.2. Исследование полного спектра тепловых сопротивлений элементов конструкции светодиода
Метод, позволяющий экспериментально исследовать полный спектр тепловых сопротивлений элементов конструкции светодиода и оценить температуру чипа, основан на определение теплового импеданса при пропускании через p-n-переход светодиода электрических разогревающих импульсов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), осуществляемой по гармоническому закону, и измерения соответствующих изменений температуры перехода относительно корпуса или окружающей среды. Температура определяется на основе измерения температурочувствительного параметра (ТЧП), в качестве которого используется прямое напряжение на p-n-переходе при пропускании через него малого постоянного измерительного тока (величина измерительного тока выбирается такая, чтобы светодиод не перегревался относительно корпуса). На основе вычисления амплитуд и фаз основных гармоник греющей мощности и температуры p-n-перехода определяется модуль теплового импеданса p-n-переход–корпус светодиода и сдвиг фаз между температурой p-n-перехода и греющей мощности.
При анализе распределения тепла по структуре светодиода используется теплоэлектрическая аналогия, согласно которой процессы распространения тепла по пути «активная область кристалла – кристаллодержатель – корпус прибора – радиатор – окружающая среда» происходят аналогично электрическим процессам в схеме замещения, представляющей собой совокупность последовательно соединенных RC-звеньев [60]. Электрическое сопротивление R является аналогом теплового сопротивления Rth, электрическая емкость С – аналог теплоемкости.
Поток тепла аналогичен электрическому току, протекающему по звеньям схемы замещения, электрический потенциал является аналогом температуры. Каждому из слоев структуры или элементов конструкции светодиода, по которым распространяется поток тепла от источника к окружающей среде, соответствует свое RC-звено. На Рис. 25а представлено схематичное изображение структуры исследуемых светодиодов. Возможны два варианта построения такой эквивалентной тепловой модели – модель Фостера (Foster) и модель Кауэра (Cauer). В модели Фостера каждое звено состоит из параллельно соединенных резистора R и емкости С (Рис. 25б), в модели Кауэра емкости всех звеньев присоединены к общей шине (Рис. 25в). Параметры всех элементов схемы замещения в моделях Фостера и Кауэра отличаются между собой, но общий импеданс в обеих схемах одинаков. В данной работе использовалась модель Кауэра, что позволило применить прибор T3Ster, работающий по стандарт JESD51-52 [61], для определения компонент теплового сопротивления светодиода. Полученные результаты использовались в теоретической модели для расчета распределения температур.
Кроме того, были определены тепловые сопротивление чипов светодиодов с разными конструкциями. Выяснено, что Rth чипа светодиода Cree XPE с вертикальной конструкцией на кремниевой подложкой лежит в пределах 1K/W; а Rth чипа SemiLEDs 45AK с медной подложкой - 0,5 K/W; Rth чипа MK24 производства Светлана латеральной конструкции чипа -1K/W. Таким образом, чипа не вносит существенных изменений в физические процессы в объемном материале.
Основные закономерности развития деградации ВКЭ светодиодов на финальной стадии старения.
Для всех деградировавших светодиодов, с разным уровнем тока утечки при смещениях менее 2В (т.е. разным характером организации наноматериала -р) до деградации, типичным является сдвиг максимума зависимостей ВКЭ от плотности тока (на Рис. 34 EQE (j)) в область больших токов после деградации, относительно максимума исходных зависимостей этих же светодиодов [73] [74]. Примеры эволюции типичных зависимостей ВКЭ от j до старения (кривые 1) и после финальной стадии старения (кривые 2) представлены на Рис. 34 для светодиодов от нескольких фирм с разным дизайном активной области, отличающимися значениями р, значениями плотности тока утечки при смещении 1В (j1V) и значениями ВКЭ. Лучший характер организации наноматериала (р=0.330, j1V=5х10-10А/см2) наблюдается на светодиодах фирмы Cree Рис. 34,а. Особенностью этих светодиодов является использование активной области с узкими барьерами 2нм [49], значенимия EQE - 37- 45% (светодиодные чипы закупка 2007 года, поэтому значения EQE существенно ниже последних достижений фирмы). Светодиоды фирмы SemiLEDs, имеют стандартный дизайн активной области с соотношением толщины ям и барьеров активной области 5/7нм, значения ВКЭ - 45-50%, j1V= 1х10-8 А/см2, р=0.340 (закупка 2009-2010 года) Рис. 34,б. Зависимости ВКЭ от j экспериментальных чипов светодиодов фирмы Samsung (2007 года) представлены на Рис. 34,в. Дизайн активной области этих чипов отличается от общепринятого повышенной толщиной барьерной области до 15-20 нм, значения ВКЭ - 18-23% (занижены из-за неоптимального варианта сборки), j1v=8х10-9 А/см2, р=0.340. На Рис. 34,г и д представлены зависимости ВКЭ от j экспериментальных светодиодов ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» с традиционным дизайном активной области (2005 и 2007 года изготовления, соответственно). Для светодиодов Рис. 34,г, выращенных на этапе становления ростовых процессов, характерна плохая организация наноматериала р=0.350, j1v= 1х10-6 А/см2, значения ВКЭ менее 10%. Оптимизация процессов роста и улучшение организации наноматериала до значений р=0.340 и, j1v= 8х10-9 А/см2 позволили увеличить ВКЭ до 30% Рис. 34,г. Для всех представленных типов светодиодов, как уже отмечалось, общим является сдвиг максимума зависимостей после финальной стадии в область больших токов, единообразный вид зависимостей ВКЭ от j и снижение значений ВКЭ в максимуме, при малых плотностях тока, как правило, более сильное, чем при рабочих плотностях тока больше 50А/см2. Известно, что основной вклад в излучательную рекомбинацию [51] при малых плотностях тока вносят локализованные носители, т.е. при старении развивается механизм подавляющий наиболее сильно процессы локализации носителей. Типичным, для всех деградировавших светодиодов, являются сильные, на порядки, изменения величины токов в прямом и обратном направлении при смещениях менее 2.5В (кривые 3 и 4), по сравнению с исходными значениями (кривые 1 и 2), Рис. 35 [67, 68] (прямая и обратная ветви ВАХ представлены в одном квадранте, величины напряжения и тока по абсолютной величине). Значительные изменения ВАХ наблюдаются в области смещений менее 2.5В, в которой, как известно, механизм транспорта носителей туннельный [16] [48]. Кроме того, в этом же диапазоне смещений, после деградации ВКЭ катастрофически ухудшаются выпрямляющие свойства p-n – переходов, по сравнению с наблюдавшимися на тех же светодиодах до старения, в то время, как при смещениях более 2.5В изменения вида ВАХ незначительные [49] [51]. Таким образом, на финальной стадии на порядки увеличивается проводимость квазиомических шунтов, локализованных в системе протяженных дефектов, что хорошо видно по нарастанию величины токов почти симметричных ветвей ВАХ при малых смещениях Рис. 35. Некоторые исследователи полагают, что проводимость квазиомических шунтов играет заметную роль только при малых смещениях, а в области рабочих плотностей токов, больше 35А/см2, роль проводимости шунта не существенна. Однако, корреляция сдвига максимума зависимостей ВКЭ от плотности тока (на графиках - EQE от j) светодиодов в сторону больших токов Рис. 34 с изменениями на порядки проводимости шунтов при смещениях менее 2.5В Рис. 35 для всех светодиодов, указывает на то, что шунтирование работает и при рабочих токах. Единообразный характер зависимостей ВКЭ от плотности тока светодиодов до и после деградации ВКЭ Рис. 34 позволяет предполагать, что изменения значений ВКЭ вызваны уходом неравновесных носителей в квазиомические шунты. Аналогичное поведение наблюдали в [75] для AlGaN/GaN светодиодов. В областях вне протяженных дефектов безызлучательная рекомбинация может не усиливаться. Очевидно, что уход неравновесных носителей по шунтам, особенно сильно ослабляет излучательную рекомбинацию локализованных носителей, т.к. она происходит при низких уровнях инжекции менее 10А/см2.
Из-за невысоких значений локализующего потенциала 60-100мэВ при плотностях тока больше 50 А/см2 потенциальный рельеф, связанный с неодородностями состава твердого раствора, почти залит инжектируемыми носителями и вклад делокализованных носителей в излучательную рекомбинацию становится определяющим [51]. Таким образом, изменение ВКЭ светодиодов на 30% в максимуме вызвано ростом проводимости шунтов при смещениях менее 2В на несколько порядков независимо от степени упорядоченности наноматериала, дизайна активной области и фирмы производителя. Изучение зависимостей дифференциального сопротивления от плотности тока светодиодов до и после деградации ВКЭ
